EP0144371B1 - Barre cathodique comportant une semelle metallique, pour cuves d'electrolyse hall-heroult - Google Patents

Barre cathodique comportant une semelle metallique, pour cuves d'electrolyse hall-heroult Download PDF

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EP0144371B1
EP0144371B1 EP84902015A EP84902015A EP0144371B1 EP 0144371 B1 EP0144371 B1 EP 0144371B1 EP 84902015 A EP84902015 A EP 84902015A EP 84902015 A EP84902015 A EP 84902015A EP 0144371 B1 EP0144371 B1 EP 0144371B1
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EP
European Patent Office
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electrolytic cell
cell according
cathode
sole
metal
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Application number
EP84902015A
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German (de)
English (en)
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EP0144371A1 (fr
Inventor
Michel Leroy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
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Filing date
Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars

Definitions

  • the invention relates to the construction of electrolytic cells for the production of aluminum by the Hall-Héroult process. It relates more particularly to an electrolysis tank in which each cathode bar comprises a metal soleplate, intended to increase the passage section and to standardize the distribution of the cathode current.
  • the cathode of a Hall-Héroult electrolysis tank is formed by the juxtaposition of a set of carbonaceous blocks, provided, at their lower base, with one (or sometimes two) open groove (s) in which are sealed, generally by casting, steel bars of square, rectangular or circular section, on which are connected the connecting conductors between the successive tanks forming a series.
  • the steel bars used for the extraction of the cathode current therefore offer a limited contact surface with the carbon, which causes a significant voltage drop at the carbon / cast iron interface.
  • the object of the present invention is to increase substantially (more than 10%) the section of steel available for the evacuation of the cathode current, and the contact surface between the carbon and the cathode conductors. It consists, in an electrolytic cell of the type defined in the preamble of claim 1, to provide each cathode bar with a metal sole, constituted by a metal sheet, welded to the cathode bar before the establishment of the carbonaceous block in the tank, to ensure the passage of electric current and the electrical contact between said soleplate and the base of the carbonaceous block being ensured by at least one layer of elastic material conducting electricity.
  • the sole must have a thickness at least equal to 4 mm, and preferably at least equal to 10 mm.
  • a continuous steel screen can be placed under the soleplate, in electrical contact with the soleplate, which prevents infiltration of liquid aluminum and molten cryolite, which appreciably increases the service life of the electrolysis tank.
  • Figure 1 relates to the prior art.
  • FIG. 2 to 15 illustrate the implementation of the invention.
  • Figure 1 shows the classic arrangement of a carbonaceous cathode block (1) in which the bar (2A) is sealed by cast iron (3).
  • the bar is flush with the base of the carbon block.
  • the bar (2B) in an alternative embodiment can more or less exceed the base plane of the carbonaceous block (3).
  • the successive cathode blocks are most often assembled by a joint (4) made of carbonaceous paste.
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of the invention.
  • two thick sheets of mild steel (5) were welded connected to the base of the carbon block (1) by a layer of electrically conductive elastic material (6).
  • the steel soleplate (5) can consist of a steel-copper colamine, the copper-colored face (5A) being in contact with the carbonaceous block (1) via the elastic conductive layer ( 6).
  • the thickness of the copper layer (5A) must be greater than a minimum value, which can be estimated at around 5% of the steel layer, corresponding to the solubility of the copper. in steel at 900-950 ° C, so that the entire copper layer does not disappear by diffusion in the solid state in the steel.
  • the malleability of hot copper facilitates the establishment of good contact with the cathode block and can, if necessary, partially compensate for deformations of the steel soleplate.
  • Figure 3 shows the four stages 3a, 3b, 3c, 3d of the procedure used to carry out the assembly of Figure 2.
  • Figure 3a shows the first step
  • the carbon block (1) having been turned over so that the groove (7) faces upwards, the cathode bar (2) is sealed by casting iron (3).
  • Figure 3b shows the second step
  • an elastic, electrically conductive layer (6) is placed on the upper face of the inverted block: it is advantageous to use a carbon or graphite felt, or a laminated graphite sheet, or another complex formed by bonding a strip of carbon felt or graphite and a strip of laminated graphite.
  • RVG graphite felts or “Papyex” (R) (trademarks registered by the Company “Le Carbone-Lorraine”).
  • Figure 3c shows the third step
  • the sole (5) consists of two thick steel sheets, which are applied strongly, by pressing, to the elastic link layer (6) on the elastic connection layer (6).
  • a steel flange is thus produced electrically connected to the cathode bar.
  • the thickness of the sole is at least equal to 4 mm and, preferably, at least equal to 10 mm and generally of the order of 10 to 15 mm.
  • the cross-section of the cathode bar can be, for example, 160 x 120 mm.
  • Figure 3d shows the cathode carbon block returned to normal position by inversion.
  • Figure 4 shows a variant of the invention where the steel base is located astride two carbon cathode blocks, and in electrical contact with these two blocks.
  • Figure 5 shows that when performing the assembly, it is preferable to provide a slight clearance between the flanges (5) of two adjacent blocks (1) and (1 ') so that when the normal operating temperature is reached, and due to the greater expansion of the steel base compared to the carbonaceous block, the edges of the two adjacent flanges (5) and (5 '), are in contact with a pressure just sufficient to ensure a weld to hot of these edges between them, without this pressure being excessive to the point of causing deformation of the soles, detrimental to the electrical contact between carbonaceous blocks and steel soles.
  • the blanks of the bevels of (5) and (5 ') may be parallel to each other (5A) or not (5B).
  • the value of the clearance (9) necessary for mounting or installation depends on the exact nature of the carbonaceous block: based on anthracite, or semi-graphite or semi-graphitized or graphite, and on the exact dimension of the blocks and footings , as well as the nature and thickness of the joint between carbonaceous blocks: blocks glued together or separated by a small joint (4) of pot lining. Generally, this game will be defined by an e / L ratio of the order of 1 to 2%.
  • Figure 6 shows the mounting detail of the sealing strips (10).
  • the upper strip (10A) is welded for example on the sheet (5) and the lower strip (10B) is welded on the sheet (5 ') so that, during the first heating, they can slide freely and take their definitive place.
  • a lower porosity graphite piece (12) can be placed at the bottom of the joint (4) which improves the seal of the joint (4 ) and reduces the risk of infiltration of molten cryolite when the electrolysis tank is started.
  • Figure 7 shows another alternative embodiment of the joint between the flanges (5) and (5 ') of adjacent cathode blocks (1) and (1').
  • a flexible joint (14) preferably electrically conductive and compressible, such as graphite braid, or a tube thin-walled metal (thickness less than half the thickness of the sole, (5) or (5 '), resting freely between the strips 10A and 10B.
  • FIG. 8 represents another variant, in which the flexible carbon joint (14) is replaced by a deformable tube (15), welded beforehand to at least one of the flanges (5) or (5 '), which absorbs the expansion effects and which can be filled with an inert pulverulent material (19), to limit internal hot oxidation.
  • FIGS 9 and 10 illustrate the implementation of the invention in the case of carbon blocks (1) provided with two parallel cathode bars (2C and 2D), an arrangement which is sometimes encountered in order to increase the surface contact with the carbon block.
  • the two bars 2C, 2D were sealed simultaneously by casting iron (3), the thickness (e) of the iron plate between the two bars preferably being less than or equal to the difference in the ratings h o and h 1 (e ⁇ h o - h i ).
  • the soleplate (5) can be made of single or mixed steel-copper sheet steel as described above.
  • the two cathode bars 2C, 2D were individually sealed, then connected by welding with a sheet (21) preformed in a vault, so as to obtain, when hot, good electrical contact with the central part of the carbonaceous block. via the elastic conductive layer (6).
  • the metal soleplate is in contact with the base of the carbon blocks by means of the elastic material (6) over at least 20% of the surface of this base.
  • a screen (26) under the base of the carbon blocks constituting the cathode of the electrolytic cell and in which the cathode bars are sealed, this screen extending at least over the entire space located below the cathode (fig. 11). It consists of at least one continuous sheet of steel, at least half of the surface of which consists of a part having at least 5 mm, and preferably 8 to 12 mm thick, and which comprises at least one zone. deformable absorbing stresses due to temperature differences between the central part, located directly above the cathode, and the less hot peripheral part. To avoid any risk of electrochemical corrosion, it is then preferable to put the metal soleplate (5) in electrical contact with the screen (26).
  • the electrical connection between the sole (5) and the screen (26) can be ensured by welding, for example, by a continuous or discontinuous bead between at least one edge of the sole and the continuous screen. It can also be ensured by the fusion of a brazing alloy previously disposed between the sole and the continuous screen, the points of solidus and liquidus of this alloy being suitably chosen.
  • FIG. 12 shows an embodiment of this principle, according to which the sole (5) of each cathode bar (2) is placed directly on the continuous screen (26) of thick steel, to which it is connected by solder (16) or by welding (17).
  • the advantage of this arrangement is that the continuous thick steel screen (26) is, at all points, at the electrical potential of the cathode bars, which eliminates any effect of electrochemical cell generating rapid corrosion.
  • the thickness of the screen is at least 5 mm, and preferably between 8 and 12 mm.
  • the sole (5) has a thickness at least equal to 4 mm and, preferably, at least equal to 10 mm.
  • Figure 12 shows how this device can be implemented during the construction of the tank.
  • the cathode bar (2) was put in place and sealed with cast iron (3) in each cathode block (1).
  • a sole (5) whose length is at most equal and, in practice slightly less than the distance between two successive bars.
  • the block is then placed on the screen (26), resting on the insulating layer (20), and welded at (9), preferably by a continuous cord, so as to ensure good electrical contact.
  • the layers (24) and (25) are insulating and refractory bricks, arranged on the bottom (27) of the casing of the electrolysis tank.
  • the optimal brazing compositions for implementing the invention comprise at least 50% of a first metal chosen from aluminum, copper, zinc, the remainder being at least a second metal chosen from manganese, nickel, vanadium, beryllium, silicon, tin and titanium, as well as aluminum and copper if the first metal is not copper or aluminum.
  • compositions no. 1, 3, 6 and 7 are particularly suitable in industrial practice. Some are fragile and can be ground to the desired fineness, others must be treated in a known manner, by spraying in the liquid state.
  • the solder can be used in the form of a thin, laminated sheet, introduced during assembly between the sole and the screen.
  • a reducing metal with respect to iron oxide (scale) which most often covers the steel plates used to constitute the sole or the screen (metal such as AI and / or Si) dispenses with using any other stripper to promote spreading of the solder when it passes into the liquid state.
  • the sole (5) and the screen (26) in a single part, constituted by a thick steel sheet (22), as shown in the figures. 13 and 14, which may be provided with seals or deformable zones, capable of withstanding thermal expansions, for example the tube (15) of FIG. 2.
  • the thickness of the screen may be between 10 and 20 mm.
  • the bars (2) are positioned on the screen (22), then connected by a weld bead (23). After which, the cathode blocks (1) are put in place, the sealing being ensured by carbonaceous paste (13).
  • the connection can also be made by a solder (16).
  • Fig. 14 shows another method of assembly, according to which the cathode bars (2) are no longer arranged directly above the axis of the block (1), but straddling two blocks adjacent to the vertical line of the joint between these two blocks.
  • the advantage of this arrangement is that the carbonaceous paste (4) ensuring the sealing between the blocks (1) and the bars (2) can be injected, hot, in the space separating two adjacent blocks.
  • FIG. 15 very schematically shows the partial cross-section of an electrolytic cell according to the invention, with the external metal box (30), the side soldering (31) in carbonaceous paste, the cathode carbon block (1 ) surmounted by the sheet of liquid aluminum (32), the electrolyte (33) and the anode system (34), the cathode bar (2) made of steel, sealed with cast iron (3), and the soleplate (5) steel, object of the invention. It is noted that the cross section of the cathode bar (2) is reduced in the crossing of the external part of the lining (31) and of the box (30).

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Abstract

Une barre cathodique assurant l'extraction du courant d'une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, selon le procédé Hall-Héroult, scellée dans au moins une rainure ouverte à la base de chacun des blocs carbonés (1) formant la cathode de la cuve d'électrolyse. Selon l'invention, la barre cathodique (2) se prolonge par une semelle métalique (5) en contact électrique avec la base des blocs carbonés (1) sur au moins 20 % de la surface totale de cette base. La semelle (5) est constituée par une tôle métallique d'une épaisseur au moins égale à 4 mm, et, de préférence, au moins égale à 10 mm, soudée à la barre cathodique (2) avant la mise en place du bloc carboné (1) dans la cuve. Pour empêcher les infiltrations d'électrolyte dans l'espace sous-cathodique, la face inférieure de la semelle (5) est placée en relation superposée et en contact électrique avec un écran métallique (26), épais, continu, disposé à la partie supérieure du garnissage isolant thermique.

Description

  • L'invention se rapporte à la construction des cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult. Elle concerne plus particulièrement une cuve d'électrolyse dans laquelle chaque barre cathodique comporte une semelle métallique, destinée à augmenter la section de passage et à uniformiser la répartition du courant cathodique.
    • Exposé de l'art antérieur
  • La cathode d'une cuve d'électrolyse Hall-Héroult est constituée par la juxtaposition d'un ensemble de blocs carbonés, munis, à leur base inférieure, d'une (ou parfois deux) rainure(s) ouverte(s) dans lesquelles sont scellées, généralement par coulée de fonte, des barres d'acier de section carrée, rectangulaire ou circulaire, sur lesquelles sont raccordées les conducteurs de liaison entre les cuves successives formant une série.
  • Les barres d'acier servant à l'extraction du courant cathodique offrent donc une surface de contact limitée avec le carbone, ce qui provoque une chute de tension non négligeable à l'interface carbone/fonte.
  • Pour réduire cette chute de tension; il est également connu d'augmenter la section de la barre d'acier, au moins dans la zone scellée dans le carbone, tout en gardant une section normale ou rétrécie à la traversée de la partie extérieure du calorifugeage de la cuve, de façon à éviter des fuites thermiques trop importantes.
  • Cependant, une telle action est forcément limitée, car l'épaisseur de carbone des ailes de la rainure doit être suffisante pour résister mécaniquement aux contraintes dues à la dilatation thermique de la barre cathodique, et de son scellement, lors de la mise en régime de la cuve.
  • Dans le brevet US-A-2 593 751 (Pechiney), on décrit une cuve d'électrolyse du type Hall-Héroult, dans laquelle chaque barre cathodique, scellée à la fonte dans le bloc carboné correspondant, a une dimension telle qu'elle fait saillie hors du bloc carboné, la partie en saillie ainsi que la base du bloc carboné sont recouvertes d'une plaque en fonte moulée qui assure un écoulement plus facile et plus homogène du courant électrique entre les blocs carbonés et la barre cathodique proprement dite.
  • Dans la demande de brevet japonais JA-A-56/150195 (Sumitomo), il est prévu de disposer sous les blocs cathodiques un écran en acier, de préférence recouvert de pâte carbonée dont le but est de réduire les risques d'infiltration de l'électrolyte dans l'espace sous-cathodique constitué de briques.
    • Objet de l'invention
  • La présente invention a pour objet d'augmenter de façon substantielle (plus de 10 %) la section d'acier disponible pour l'évacuation du courant cathodique, et la surface de contact entre le carbone et les conducteurs cathodiques. Elle consiste, dans une cuve d'électrolyse du type défini dans le préambule de la revendication 1, à munir chaque barre cathodique d'une semelle métallique, constituée par une tôle métallique, soudée à la barre cathodique avant la mise en place du bloc carboné dans la cuve, pour assurer le passage du courant électrique et le contact électrique entre ladite semelle et la base du bloc carboné étant assuré par au moins une couche de matériau élastique conducteur de l'électricité. La semelle doit avoir une épaisseur au moins égale à 4 mm, et de préférence au moins égale à 10 mm.
  • En outre, on peut disposer sous la semelle, un écran continu en acier, en contact électrique avec la semelle, ce qui permet d'éviter les infiltrations d'aluminium liquide et de cryolithe fondue, ce qui augmente sensiblement la durée de vie de la cuve d'électrolyse.
  • La figure 1 se rapporte à l'art antérieur.
  • Les figures 2 à 15 illustrent la mise en oeuvre de l'invention.
  • Toutes les figures sont des représentations en coupe verticale.
    • Description des figures
  • La figure 1 montre la disposition classique d'un bloc cathodique carboné (1) dans lequel la barre (2A) est scellée par de la fonte (3).
  • Dans ce cas, la barre affleure à la base du bloc carboné. Sur la partie droite de la figure 2, la barre (2B) dans une variante d'exécution, peut dépasser plus ou moins du plan de base du bloc carboné (3). Les blocs cathodiques successifs sont assemblés le plus souvent par un joint (4) en pâte carbonée.
  • La figure 2 illustre un premier mode de mise en oeuvre de l'invention. Sur la barre cathodique (2), on a soudé deux tôles épaisses en acier doux (5) reliées à la base du bloc carboné (1) par une couche de matériau élastique électriquement conducteur (6).
  • En variante (figure 2A), la semelle en acier (5) peut être constituée par un colaminé acier-cuivre, la face cuivrée (5A) étant en contact avec le bloc carboné (1) par l'intermédiaire de la couche conductrice élastique (6). De préférence, l'épaisseur de la couche de cuivre (5A) doit être supérieure à une valeur minimale, que l'on peut estimer à environ 5 % de la couche d'acier, correspondant à la solubilité du cuivre dans l'acier à 900-950 °C, de façon que toute la couche de cuivre ne disparaisse pas par diffusion à l'état solide dans l'acier.
  • La malléabilité du cuivre à chaud facilite l'établissement d'un bon contact avec le bloc cathodique et peut, le cas échéant, compenser en partie des déformations de la semelle en acier.
  • En outre, la conductivité électrique du cuivre étant très supérieure à celle de l'acier, il s'ensuit un abaissement significatif de la chute de tension dans les collecteurs cathodiques.
  • La figure 3 montre les quatre stades 3a, 3b, 3c, 3d de la procédure utilisée pour réaliser le montage de la figure 2.
  • La figure 3a montre la première étape :
  • Le bloc de carbone (1) ayant été retourné pour que la rainure (7) se présente vers le haut, on scelle la barre cathodique (2) par coulée de fonte (3).
  • La figure 3b montre la deuxième étape :
  • Après scellement de la barre cathodique (2), on pose sur la face supérieure du bloc retourné une couche élastique (6), conductrice électrique : on peut avantageusement utiliser un feutre de carbone ou de graphite, ou encore une feuille de graphite laminé, ou encore un complexe formé par collage d'une bande de feutre de carbone ou de graphite et d'une bande de graphite laminé.
  • A titre d'exemple, on peut utiliser des feutres de graphite RVG, ou du « Papyex » (R) (marques déposées par la Société « Le Carbone-Lorraine »).
  • La figure 3c montre la troisième étape :
  • On pose sur la couche de liaison élastique (6), la semelle (5) constituée par deux tôles épaisses en acier que l'on applique fortement, par pressage, sur la couche de liaison élastique (6).
  • On peut alors réaliser des cordons de soudure (8), de préférence continus, pour relier ces tôles épaisses à la barre cathodique : on a ainsi réalisé une semelle d'acier reliée électriquement à la barre cathodique. L'épaisseur de la semelle est au moins égale à 4 mm et, de préférence, au moins égale à 10 mm et généralement de l'ordre de 10 à 15 mm. La section de la barre cathodique peut être par exemple, de 160 x 120 mm.
  • La figure 3d montre le bloc carboné cathodique remis en position normale par retournement.
  • La figure 4 montre une variante de l'invention où la semelle d'acier est située à cheval entre deux blocs carbonés cathodiques, et en contact électrique avec ces deux blocs.
  • La figure 5 montre qu'au moment de la réalisation du montage, il est préférable de prévoir un léger jeu entre les semelles (5) de deux blocs adjacents (1) et (1') de façon que lorsque la température de fonctionnement normal est atteinte, et du fait de la dilatation plus importante de la semelle d'acier comparativement au bloc carboné, les bords des deux semelles adjacentes (5) et (5'), se retrouvent en contact avec une pression juste suffisante pour assurer une soudure à chaud de ces bords entre eux, sans que cette pression ne soit excessive au point d'entraîner une déformation des semelles, préjudiciables au contact électrique entre blocs carbonés et semelles d'acier.
  • Les extrémités en regard des deux semelles adjacentes (5) et (5') peuvent être perpendiculaires au plan de la semelle - et parallèles entre elles - comme représenté, sur la figure, ou taillées en biseau (figures 5a, 5b).
  • Les flans des biseaux de (5) et (5') peuvent être parallèles entre eux (5A) ou non (5B).
  • Pour empêcher la pénétration de produits pulvérulents provenant du lit de pose (11) dans le jeu (9) entre les deux tôles (5) et (5'), on peut prévoir l'interposition d'une bande de tôle mince (10) faisant office de joint. Cette tôle évite également que la pâte carbonée qui remplit le joint (4) ne s'écoule, lors de la première chauffe, dans l'espace (9).
  • La valeur du jeu (9) nécessaire au montage ou à la pose dépend de la nature exacte du bloc carboné : à base d'anthracite, ou semi-graphite ou semi-graphitisé ou graphite, et de la dimension exacte des blocs et des semelles, ainsi que de la nature et de l'épaisseur du joint entre blocs carbonés : blocs collés entre eux ou séparés par un petit joint (4) de pâte de brasque. Généralement, ce jeu sera défini par un rapport e/L de l'ordre de 1 à 2 %.
  • La figure 6 montre le détail de montage des bandes d'étanchéité (10). La bande supérieure (10A) est soudée par exemple sur la tôle (5) et la bande inférieure (10B) est soudée sur la tôle (5') de telle sorte que, lors de la première chauffe, elles peuvent coulisser librement et prendre leur place définitive.
  • Par ailleurs, et à condition de prévoir un rainurage adéquat dans les blocs cathodiques (1), on peut placer à la partie inférieure du joint (4) une pièce en graphite à faible porosité (12) qui améliore l'étanchéité du joint (4) et réduit les risques d'infiltration de cryolithe fondue lors du démarrage de la cuve d'électrolyse.
  • La figure 7 montre une autre variante de réalisation du joint entre les semelles (5) et (5') de blocs cathodiques adjacents (1) et (1'). On renonce à établir une soudure directe entre (5) et (5') et on dispose dans le jeu (9) un joint souple (14), de préférence conducteur électrique et compressible, tel que de la tresse de graphite, ou un tube métallique à paroi mince (épaisseur inférieure à la moitié de l'épaisseur de la semelle, (5) ou (5'), reposant librement entre les bandes 10A et 10B. On peut, en outre, au montage, prévoir un recouvrement et un collage des feuilles de matière carbonée élastique (13) qui améliore l'étanchéité du joint, dans le but précédemment indiqué.
  • La figure 8 représente une autre variante, dans laquelle le joint carboné souple (14) est remplacé par un tube (15) déformable, soudé préalablement à au moins une des semelles (5) ou (5'), qui absorbe les effets de dilatation et que l'on peut remplir d'un matériau pulvérulent inerte (19), pour limiter l'oxydation interne à chaud.
  • Bien entendu, de telles liaisons souples ou déformables peuvent être utilisées pour la jonction entre les demi-écrans d'un même bloc lorsque celui-ci comporte un scellement avec les demi-barres d'acier, séparées au centre du bloc par un espace de dilatation.
  • les figures 9 et 10 illustrent la mise en oeuvre de l'invention dans le cas des blocs carbonés (1) munis de deux barres cathodiques parallèles (2C et 2D), disposition que l'on rencontre parfois dans le but d'augmenter la surface de contact avec le bloc carboné.
  • Sur la figure 9, il apparaît que l'on a procédé au scellement simultané des deux barres 2C, 2D par coulée de fonte (3), l'épaisseur (e) de la plaque de fonte entre les deux barres étant, de préférence, inférieure ou égale à la différence des cotes ho et h1 (e < ho - hi).
  • La semelle (5) peut être en tôle d'acier simple ou mixte acier-cuivre comme on l'a décrit précédemment.
  • Sur la figure 10, les deux barres cathodiques 2C, 2D ont été scellées individuellement, puis reliées par soudure avec une tôle (21) prédéformée en voûte, de façon à obtenir, à chaud, un bon contact électrique avec la partie centrale du bloc carboné par l'intermédiaire de la couche conductrice élastique (6).
  • Dans tous les cas représentés (figures 2 à 10), la semelle métallique est en contact avec la base des blocs carbonés par l'intermédiaire du matériau élastique (6) sur au moins 20 % de la surface de cette base.
  • Il est possible d'améliorer l'étanchéité de l'espace sous-cathodique et de supprimer à peu près totalement les infiltrations d'aluminium liquide et de cryolithe fondue en disposant un écran (26) sous la base des blocs carbonés constituant la cathode de la cuve d'électrolyse et dans lesquels sont scellées les barres cathodiques, cet écran s'étendant au moins sur tout l'espace situé à l'aplomb de la cathode (fig. 11). Il est constitué par au moins une tôle d'acier continue dont au moins la moitié de la surface est constituée par une partie ayant au moins 5 mm, et de préférence de 8 à 12 mm d'épaisseur, et qui comporte au moins une zone déformable absorbant les contraintes dues aux écarts de température entre la partie centrale, située à l'aplomb de la cathode, et la partie périphérique moins chaude. Pour éviter tout risque de corrosion électrochimique, il est alors préférable de mettre la semelle métallique (5) en contact électrique avec l'écran (26).
  • La liaison électrique entre la semelle (5) et l'écran (26) peut être assurée par une soudure, par exemple, par un cordon continu ou discontinu entre au moins un rebord de la semelle et l'écran continu. Elle peut, également, être assurée par la fusion d'un alliage de brasure préalablement disposé entre la semelle et l'écran continu, les points de solidus et de liquidus de cet alliage étant convenablement choisis.
  • La figure 12 montre un mode de réalisation de ce principe, selon lequel la semelle (5) de chaque barre cathodique (2) est posée directement sur l'écran continu (26) en acier épais, auquel elle est reliée par brasure (16) ou par soudure (17).
  • L'avantage de cette disposition est que l'écran continu en acier épais (26) est, tous points, au potentiel électrique des barres cathodiques, ce qui élimine tout effet de pile électrochimique générateur de corrosion rapide. L'épaisseur de l'écran est d'au moins 5 mm, et, de préférence, comprise entre 8 et 12 mm. La semelle (5) a une épaisseur au moins égale à 4 mm et, de préférence, au moins égale à 10 mm.
  • La figure 12 montre comment ce dispositif peut être mis en place lors de la construction de la cuve. la barre cathodique (2) a été mise en place et scellée à la fonte (3) dans chaque bloc cathodique (1). Puis on soude en (18), une semelle (5) dont la longueur est au plus égale et, en pratique légèrement inférieure à l'entraxe de deux barres successives. Le bloc est alors posé sur l'écran (26), reposant sur la couche isolante (20), et soudé en (9), de préférence par un cordon continu, de façon à assurer un bon contact électrique. Les couches (24) et (25) sont des briques isolantes et réfractaires, disposées sur le fond (27) du caisson de la cuve d'électrolyse.
  • Pour la pose du premier et du dernier bloc, on peut être amené à modifier la longueur et la disposition des semelles pour faciliter l'assemblage.
  • Il est possible de réaliser la liaison électrique entre la semelle (5) et l'écran (26) par brasage (16) au moyen d'un alliage, ayant un point de solidus et un point de liquidus convenablement choisi, interposé entre la semelle et l'écran.
  • Cet alliage de brasure doit remplir les conditions suivantes :
    • 1. Sa température de solidus (= température de solidification finissante) doit être supérieure à environ 600 °C et de préférence 650 °C, de façon qu'à la première mise en service de la cuve, il autorise les déplacements relatifs entre les semelles (5) et l'écran (26), provoqués par les dilatations différentielles entre les blocs et barres cathodiques munis de leurs semelles, et l'écran continu. Si la brasure est introduite sous forme d'un lit pulvérulent, ou en grains très fins, d'alliage restant solide jusque vers 650 °C, cette condition sera remplie.
    • 2. Cette même température de solidus ne doit pas, de préférence, excéder la température atteinte par les semelles en régime de marche continue; c'est-à-dire environ 850 à 920 °C, afin que l'alliage de brasure se liquéfie au moins partiellement pendant la mise en température, lors du démarrage de la cuve. Il se produit alors une soudure par interdiffusion métallique entre les tôles d'acier des semelles (5) et de l'écran (26) lors de cette fusion au moins partielle de l'alliage intermédiaire. Ceci implique que :
      • l'un au moins des éléments d'alliage soit suffisamment soluble dans le fer, à l'état solide, dans un domaine de température correspondant aux températures de fonctionnement des semelles et de l'écran ;
      • le fer soit au moins partiellement soluble dans l'alliage intermédiaire liquide, pour que la soudure soit effective après que les éléments d'alliage de la brasure aient été absorbés par une diffusion dans l'acier solide : on réalise de fait une fusion superficielle de l'acier par l'alliage, cet alliage disparaissant ensuite par diffusion dans l'acier, et laissant en place une soudure solide.
    • 3. L'alliage, ou l'un de ses constituants, ne doit pas favoriser l'oxydation de l'acier.
    • 4. L'alliage, ou l'un de ses constituants, ne doit pas favoriser une fragilisation mécanique ou chimique de l'acier.
    • 5. Enfin, pour la pratique industrielle, le coût de cet alliage doit être modéré.
  • Les compositions optimales de la brasure pour la mise en oeuvre de l'invention comportent au moins 50 % d'un premier métal choisi parmi l'aluminium, le cuivre, le zinc, le reste étant au moins un second métal choisi parmi le manganèse, le nickel, le vanadium, le beryllium, le silicium, l'étain et le titane, ainsi que l'aluminium et le cuivre si le premier métal n'est pas le cuivre ou l'aluminium.
    Figure imgb0001
  • Parmi ces alliages, les compositions n° 1, 3, 6 et 7 conviennent particulièrement bien, dans la pratique industrielle. Certains sont fragiles et peuvent être broyés jusqu'à la finesse désirée, d'autres doivent être traités de façon connue, par pulvérisation à l'état liquide.
  • Si la composition de l'alliage le permet, la brasure peut être utilisée sous forme d'une feuille mince, laminée, introduite au montage entre la semelle et l'écran. La présence, parmi les constituants principaux ou secondaires de l'alliage, d'un métal réducteur vis-à-vis d'oxyde de fer (calamine) qui recouvre le plus souvent les plaques d'acier utilisées pour constituer la semelle ou l'écran (métal tel que AI et/ou Si) dispense d'utiliser tout autre décapant pour favoriser l'étalement de la brasure lorsqu'elle passe à l'état liquide.
  • Il est également possible en variante de l'invention de confondre la semelle (5) et l'écran (26) en une seule partie, constituée par une tôle d'acier épaisse (22), comme on l'a représenté sur les figures 13 et 14, qui peut être munie de joints ou de zones déformables, capables de supporter les dilatations thermiques, par exemple le tube (15) de la figure 2. Dans un tel cas, l'épaisseur de l'écran peut se situer entre 10 et 20 mm.
  • Pour le montage, les barres (2) sont positionnées sur l'écran (22), puis raccordées par un cordon de soudure (23). Après quoi, les blocs cathodiques (1) sont mis en place, le scellement étant assuré par de la pâte carbonée (13). Le raccordement peut aussi être effectué par une brasure (16).
  • On peut en outre interposer, entre les blocs carbonés (1) et l'écran épais (22) une couche de matériau souple et bon conducteur électrique, par exemple le « Papyex » (marque déposée par la Société « Le Carbone-Lorraine ») qui est une feuille de graphite souple ou le feutre de graphite RVG, de la même société.
  • La figue 14 représente un autre mode d'assemblage, selon lequel les barres cathodiques (2) sont disposées non plus à l'aplomb de l'axe du bloc (1), mais à cheval sur deux blocs adjacents à l'aplomb du joint entre ces deux blocs. L'avantage de cette disposition est que la pâte carbonée (4) assurant le scellement entre les blocs (1) et les barres (2) peut être injectée, à chaud, dans l'espace séparant deux blocs adjacents.
  • La figure 15 montre de façon très schématique, la coupe transversale partielle d'une cuve d'électrolyse selon l'invention, avec le caisson métallique externe (30), le brasquage latéral (31) en pâte carbonée, le bloc carboné cathodique (1) surmonté par la nappe d'aluminium liquide (32), l'électrolyte (33) et le système anodique (34), la barre cathodique (2) en acier, scellée à la fonte (3), et la semelle (5) en acier, objet de l'invention. On note que la section de la barre cathodique (2) est réduite dans la traversée de la partie externe du garnissage (31) et du caisson (30).
    • Avantages procurés par l'invention
  • La mise en oeuvre de l'invention procure les avantages suivants :
    • 1. La semelle métallique, sur chaque barre cathodique (une cuve peut en comporter plusieurs dizaines) augmente d'au moins 10 % et jusqu'à 20 à 50 % la section de passage du courant cathodique et la surface de contact acier-carbone avec réduction corrélative de la chute de tension au contact acier-carbone.
    • 2. La semelle métallique associée à l'écran assure une très bonne répartition du courant sur toute la surface de la cathode d'où réduction des courants horizontaux dans l'aluminium liquide, qui ont une influence néfaste sur la stabilité et le rendement de la cuve, en raison des effets tourbillonnaires dans la nappe d'aluminium liquide qui en résultent.
    • 3. La semelle métallique associée à l'écran assure également une excellente homogénéité de la température de l'ensemble de la cathode, ce qui réduit d'autant les risques d'infiltration dans les zones chaudes et de condensation dans les zones relativement plus froides.
    • 4. En cas de rupture d'une barre cathodique (par corrosion sous l'effet des infiltrations de cryolithe et d'aluminium liquide dans les joints), la semelle fonctionne pour le bloc considéré comme collecteur de secours, ce qui retarde d'autant le moment où il faudra arrêter et démonter la cuve pour refaire la cathode. En outre, le déséquilibre électrique de la cuve est limité, ce qui est favorable pour le rendement Faraday pendant la période séparant la rupture d'une barre et l'arrêt de la cuve.
  • La présence de l'écran (26) apporte les avantages supplémentaires suivants :
    • 5. Blocage de toutes les infiltrations des produits sodo-fluorés et de la cryolithe en direction de l'isolant thermique placé sur le fond du caisson, qui sont la principale cause de mise hors-service des cuves d'électrolyse.
    • 6. Plus grande facilité de construction de la cathode qui, dans le cas de la figure 3 par exemple, ne nécessite, par rapport aux solutions antérieures, qu'un simple cordon de soudure supplémentaire, qui est réalisé à plat et dans un espace accessible, ou qu'une application de brasure en poudre.
    • 7. Suppression du risque de corrosion électrochimique de l'écran du fait qu'il se trouve, en tous points, au potentiel des barres cathodiques. La mise en oeuvre de l'invention contribue à augmenter la durée de vie utile des cuves d'électrolyse et à maintenir la bonne isolation thermique du fond pendant la durée de vie.
  • Tous ces avantages concourent à augmenter de façon très importante la durée de vie d'une cuve d'électrolyse.

Claims (20)

1. Cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium par électrolyse, dans laquelle chaque barre cathodique assurant l'extraction du courant est scellée dans au moins une rainure (7) ouverte à la base de chacun des blocs carbonés (1) formant la cathode de la cuve d'électrolyse, ladite barre cathodique (2) se prolongeant par une partie métallique en contact électrique avec la base des blocs carbonés (1) sur au moins 20 % de la surface totale de cette base, caractérisé en ce que cette partie métallique est une semelle (5) constituée par une tôle métallique d'une épaisseur au moins égale à 4 mm, soudée à la barre cathodique (2) avant la mise en place du bloc carboné (1) dans la cuve, le contact électrique entre la semelle (5) et la base du bloc carboné (1) étant assuré par au moins une couche de matériau élastique (6) conducteur de l'électricité.
2. Cuve d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisée en ce que la semelle métallique est en tôle d'acier.
3. Cuve d'électrolyse selon revendication 1, caractérisée en ce que la semelle métallique est un composite fer-cuivre, dont la partie en cuivre est tournée vers le haut, face à la base du bloc carboné.
4. Cuve d'électrolyse selon revendication 3, caractérisée en ce que l'épaisseur de la partie en cuivre est au moins égale à 5 % de l'épaisseur de la partie en acier.
5. Cuve d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau élastique (6) est un produit carboné choisi parmi le feutre de carbone, le feutre de graphite, la feuille de graphite laminé et les complexes de feuilles de graphite laminé collés sur un feutre de graphite ou de carbone.
6. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les semelles (5) et (5') de deux blocs cathodiques adjacents (1) et (1') sont séparées par un espace (9) tel, qu'elles viennent en contact lorsqu'elles ont atteint, en service, leur température d'équilibre, qui se situe entre 800 et 900 °C environ.
7. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les semelles (5) et (5') de deux blocs cathodiques adjacents (1) et (1') sont séparées par un espace (9) muni d'un joint souple (14).
8. Cuve d'électrolyse selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que l'espace (9) est muni de moyens d'obturation (10A), (10B).
9. Cuve d'électrolyse selon revendication 1, caractérisée en ce que la face inférieure de la semelle (5) est placée en relation superposée et en contact électrique avec un écran métallique (26), épais, continu, disposé à la partie supérieure du garnissage isolant thermique (10).
10. Cuve d'électrolyse selon revendication 9, caractérisée en ce que la liaison électrique entre la semelle (5) et l'écran (26) est assurée par soudure.
11. Cuve d'électrolyse selon revendication 10, caractérisée en ce que la soudure est obtenue par un cordon de soudure continu ou discontinu entre au moins un bord de la semelle (5) et l'écran (26).
12. Cuve d'électrolyse selon revendication 10, caractérisée en ce que la soudure est assurée par la fusion d'un alliage de brasure préalablement placé entre la semelle et l'écran continu.
13. Cuve d'électrolyse selon revendication 12, caractérisée en ce que l'alliage de brasure a un point de solidus compris entre 600 et 900 °C, et, de préférence, entre 650 et 850 °C.
14. Cuve d'électrolyse selon revendication 12, caractérisée en ce que l'alliage de brasure comporte au moins 50 % d'un premier métal choisi parmi l'aluminium, le cuivre et le zinc, le reste étant au moins un second métal choisi parmi le manganèse, le nickel, le vanadium, le beryllium, le silicium, l'étain et le titane, ainsi que l'aluminium et le cuivre si le premier métal n'est pas le cuivre ou l'aluminium.
15. Cuve d'électrolyse selon revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que l'écran (26) comporte des moyens (7) pour absorber les dilatations et les contraintes thermiques.
16. Cuve d'électrolyse selon revendication 9, caractérisée en ce que la semelle (5) et l'écran (26) sont confondus en une plaque unique (22), en contact direct avec chaque barre cathodique, à laquelle elle est reliée par soudure ou brasure et munie de moyens (15) pour absorber les dilatations et les contraintes thermiques.
17. Cuve d'électrolyse selon revendication 16, caractérisée en ce que la barre cathodique est disposée à l'aplomb de l'axe de chaque bloc cathodique (1).
18. Cuve d'électrolyse selon revendication 16, caractérisée en ce que la barre cathodique est disposée à l'aplomb du joint séparant deux blocs cathodiques (1) adjacents.
19. Cuve d'électrolyse selon revendication 16, caractérisée en ce que la barre cathodique est scellée au bloc cathodique (1) par une pâte carbonée (4) ultérieurement cuite en place.
20. Cuve d'électrolyse, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tête métallique (5) a une épaisseur au moins égale à 10 mm.
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